基于 nRF51-DK 的智能心率手環(huán)設(shè)計(jì)

0 引 言

根據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，心血管病死亡率居首位，明顯高于腫瘤及其他疾病。心血管疾病并不像普通病癥那樣會(huì)表現(xiàn)出癥狀，有很多患者的病癥表現(xiàn)是輕微、斷斷續(xù)續(xù)且難以辨別的，而實(shí)時(shí)的心率檢測可以有效檢測用戶的健康狀況， 及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常并提供解決方案。

隨著科技的快速發(fā)展，可以檢測心率的智能手環(huán)逐漸進(jìn)入人們的視野，但市場上的一些主流智能手環(huán) / 手表如小米手環(huán)、華為手環(huán)、Apple Watch 等，存在心率檢測實(shí)時(shí)性差， 心率異常時(shí)無提醒等缺陷。

本文針對(duì)上述問題，提出了一種智能心率手環(huán)的設(shè)計(jì)方案。該智能心率手環(huán)具有運(yùn)動(dòng)模式和正常模式的切換功能，秒級(jí)心率檢測頻率、異常心率提醒功能，藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸功能，心率數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能等，彌補(bǔ)了市面上主流手環(huán)的缺陷，為人們檢測自身健康并及早發(fā)現(xiàn)心血管病提供了解決方案。

1 智能心率手環(huán)原理

本文手環(huán)采用 nRF51-DK ARM 處理器作為智能手環(huán)的中央處理模塊，采用 MAX30102 心率 PPG 傳感器作為心率檢測模塊，采用 LCD1602 屏幕作為顯示模塊，采用藍(lán)牙與智能 Android 手機(jī)通信。系統(tǒng)總體框圖如圖 1 所示。

                                                                                                                                                                                  圖 1 智能手環(huán)系統(tǒng)框圖

2 智能心率手環(huán)的方案設(shè)計(jì)

2.1 智能心率手環(huán)的硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)分為處理器選擇、心率傳感器選擇、其余元器件三個(gè)部分。

2.1.1 處理器的選擇

可選用 nRF51 系列 SoC 架構(gòu)最大限度減少平均電流消耗，并支持各種無線應(yīng)用的單芯片實(shí)現(xiàn)。nRF51-DK 功能強(qiáng)大，采用低功耗 32 位 ARM®CortexTMM0 處理器，啟動(dòng)時(shí)間為 2 μs，與 8/16 位處理器相比，可最大限度縮短活動(dòng)時(shí)間并提高代碼密度 ；它擁有先進(jìn)、精細(xì)的電源管理方案，獨(dú)立的系統(tǒng)模塊可以獨(dú)立開機(jī)或關(guān)機(jī)，并根據(jù)活動(dòng)水平自主控制時(shí)鐘 ；具有可編程外設(shè)互連（PPI）系統(tǒng)，使外設(shè)（如無線電，定時(shí)器和 I/O）能夠彼此獨(dú)立交互，不涉及處理器，可通過最小化處理器活動(dòng)時(shí)間來節(jié)省電力，同時(shí)放寬處理器的實(shí)時(shí)要求 ；靈活的 GPIO 映射簡化了 PCB 設(shè)計(jì)，有助于減少布線層的數(shù)量 ；定制 2 區(qū)存儲(chǔ)器保護(hù)單元（MPU）支持預(yù)編譯的協(xié)議棧（如 ANT 和藍(lán)牙低功耗）的程序存儲(chǔ)器和運(yùn)行保護(hù)。

2.1.2 心率傳感器的選擇

MAX30102 是一個(gè)集成了脈搏血氧和心率檢測功能的生物傳感器模塊，其本身集成了一個(gè)紅光 LED 和一個(gè)紅外光發(fā)射管、光電檢測器、光器件，以及帶環(huán)境光抑制的低噪聲電子電路。MAX30102 采用一個(gè) 1.8 V 邏輯電源和一個(gè)獨(dú)立的 5.0 V 內(nèi)部 LED 電源，可應(yīng)用在可穿戴設(shè)備上實(shí)現(xiàn)心率和血氧采集檢測。通過標(biāo)準(zhǔn)的 I2C 兼容通信接口可以將采集到的數(shù)值傳輸給STM32，Arduino 等單片機(jī)進(jìn)行心率計(jì)算。此外，該芯片還可通過軟件關(guān)斷模塊，使待機(jī)電流接近零。因?yàn)槠鋬?yōu)異的性能，本文選用此傳感器作為心率傳感器。

2.1.3 其余元器件

其余元器件包括顯示模塊LCD1602、提醒模塊小型震動(dòng)馬達(dá)等。手環(huán)部分的硬件電路連接如圖 2 所示。

2.2 智能心率手環(huán)的軟件設(shè)計(jì)

手環(huán)的軟件設(shè)計(jì)分為手環(huán)處理器的軟件設(shè)計(jì)和 Android 手機(jī) APP 設(shè)計(jì)兩部分。手環(huán)處理器的軟件部分采用 mbed 編寫，Android 手機(jī) APP 由 Android Studio 編寫，手環(huán)處理器的軟件流程如圖 3 所示，手機(jī) APP 截圖如圖 4 所示。

4 結(jié)語

經(jīng)過對(duì)該智能手環(huán)原型機(jī)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)可知，本文提出的基于 nRF51-DK 的智能心率手環(huán)具有快速、方便及可靠等特點(diǎn)。本文手環(huán)實(shí)時(shí)的心率檢測并統(tǒng)計(jì)功能可有效檢測用戶的健康狀況，發(fā)現(xiàn)異常并提供解決方案，為保障人們的心血管健康提供有力保障。但該手環(huán)仍然存在提升空間，如增加血氧含量的檢測、通過手機(jī) APP 對(duì)手環(huán)模式進(jìn)行切換等，這些功能有待于進(jìn)一步研究。